Основные законы акустики. Теория звука и акустики понятным языком

В целом акустика является наукой о звуках. Звуки во все времена играли особую роль в жизни любого человека, так как они позволяют людям ориентироваться в пространстве, общаться, смотреть фильмы и слушать любимую музыку.

Рисунок 1. Разновидности акустики.. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Использование акустики востребовано абсолютно всеми областями, начиная от строительства, заканчивая медициной. Данный научный раздел изучает колебания звуковых волн, принципы их формирования и распределения.

Определение 1

Акустика – обширная область физики, которая исследует упругие колебания и волны от самых низких частот до предельно высоких.

Человек начинает слышать звук при постоянных колебаниях, производимых с определенной частотой. Одно из основных определений акустики – это звуковая волна, которая представляет собой вибрации, давление которых непосредственно зависит от источника. Например, сигнал автомобильного клаксона осуществляется с более высоким колебанием, чем человеческий шепот. Сила звука всегда определяется в децибелах.

Современная акустика охватывает достаточно широкий круг вопросов, в ней выделяют ряд таких важных подразделов:

• физическая акустика - изучает особенности распространения упругих волн в различных пространствах;
• физиологическая акустика - описывает устройство и работу звукообразующих и звуковоспринимающих органов у человека и животных.

В более узком смысле слова под акустикой следует понимать учение о звуке, то есть об упругих вибрациях в газах, твердых телах и жидкостях, воспринимаемых человеческим ухом. Звуковая волна способна отражаться от поверхностей, рассеиваться в них или поглощаться. Параметр отражения силы звука определяется тем, какие акустические характеристики она имеет и что было пройдено звуковой волной.

Природа звука и его физические характеристики

Рисунок 2. Физические характеристики звука. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Звуковые волны и колебания - частный случай механических изменений. Однако в связи с важностью акустических определений для правильной оценки слуховых ощущений, а также из-за медицинского приложения целесообразно будет некоторые вопросы разобрать более детально.

На сегодняшний день принято различать следующие звуки:

• тоны, или музыкальные звуки;
• шумы;
• звуковые удары.

Тоном представляет собой периодический процесс звука. Если этот процесс вполне гармонический, то тон называется чистым или полным, а соответствующая звуковая плоская волна описывается соответствующим уравнением. Ключевой физической характеристикой такого вида звука является частота. Ангармоническому колебанию соответствует сложный тон. Простой тон формирует, например, камертон, а вот сложный тон возможно услышать благодаря музыкальным инструментам.

Наименьшая частота разложения сложного тона на более простые структурные единицы соответствует основному тону, остальные обертоны в этом случае имеют частоты, равные $2νο$, $3νο$ и так далее.

Определение 2

Набор колебаний с указанием их конкретной интенсивности (амплитуды А) называется в физике акустическим спектром.

Спектр сложного тона всегда линейчатый. Таким образом, акустический спектр - одна из важнейших физических характеристик музыкальных звуков, так как она способна отличаться сложной неповторяющейся временной зависимостью.

К шуму исследователи относят звуки от вибрации автомобилей, аплодисменты, шорох, пламя горелки, скрип, согласные звуки речи и так далее. Этот звуковой вид можно рассматривать как сочетание хаотично изменяющихся сложных тонов

Определение 3

Звуковой удар - это кратковременное равномерное звуковое воздействие в виде взрыва или хлопка.

Не следует путать звуковой удар с ударной волной, частота которой значительно выше.

Волновая природа звука

Рисунок 3. Волновая природа звука. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Чтобы лучше определить систему появления звуковой волны, необходимо представить находящийся в трубе классический динамик, который до краев наполнен воздухом. Если это устройство совершит внезапное движение вперёд, то находящийся в непосредственной близости воздух на какое-то мгновение сжимается. После этого воздушная прослойка расширится, толкая собой сжатую область воздуха вдоль по трубе.

Вот такое волновое движение и станет впоследствии звуком, когда доберется до слухового органа и "взбудоражит" барабанную перепонку. При возникновении звуковой волны в газе формируется избыточное внутреннее давление, ненужная плотность и происходит трансформация частиц с постоянной скоростью. При изучении звука и его особенностей важно помнить то обстоятельство, что материальное вещество не перемещается пропорционально звуковой волне, а появляется только временное возмущение действующих воздушных масс.

Замечание 1

Если частицы вибрируют вдоль направления распределения волны, то волновой звук называется продольным, если же они колеблются прямо перпендикулярно направлению волнового распространения, то волна называется поперечной.

Обычно звуковые тоны в жидкостях и газах – продольные, в твердых же физических телах возможно формирование волн обоих типов. Поперечные волны в материальных телах возникают посредством сопротивления к изменению изначальной формы. Ключевая разница между указанными двумя типами волн состоит в том, что поперечная волна оснащена свойством поляризации, а продольная – нет.

Основные направления современной акустики

Многочисленные и многолетние научные труды по изучению природы шума и вопросам шумоизоляции были опубликованы некоторое время спустя после их проведения. Первые работы в этой сфере касались только звуков, которые производятся авиационной техникой и наземным транспортом. Но постепенно границы звуковых исследований значительно расширились. В настоящее время большинство промышленно-развитых государств имеют свои научно-исследовательские университеты, занимающиеся созданием новых устройств и разработкой решения данных проблем.

Ученые выделяют такие основные разделы акустики:

• общая;
• архитектурная;
• геометрическая;
• строительная;
• музыкальная;
• психологическая;
• биологическая;
• электрическая и авиационная;
• медицинская;
• квантовая.

Акустика изучает такие физические явления, как формирование, распространение, ощущение звуковых волн и различные эффекты, напрямую производимые звуком на органы слуха. Как и все прочие научные отрасли, акустика обладает собственным понятийным аппаратом. Вместе с тем она также считается междисциплинарным разделом, то есть имеет тесные взаимосвязи с другими сферами знаний.

Наиболее отчётливо и понятно прослеживается взаимодействие акустики с архитектурой, механикой, теорией музыки, электроникой и математикой. Основные формулы акустики непосредственно касаются характеристик распространения звуковых волн в условиях упругой постоянной среды: уравнения стоячей и плоской волн, формулы точного расчёта скорости волн.

Вы можете приобрести самую дорогую в мире систему, но если вы расположите её в небольшой кубической комнате – стоимость уже не будет иметь значения. Определение правильного места для ваших АС – единственный наиболее важный фактор в получении хорошего звука в вашей комнате. Очень точное расположение АС может открыть перед вами новое звуковое измерение. Любые АС не существуют сами по себе. Они суть неизбежный компромисс с комнатой прослушивания. Не бывает просто хороших АС – бывают подходящие. При большом желании и небольшом везении ваша комната может стать для Вас счастливейшим местом. Будем исходить из того, что вся мебель и обстановка в комнате существовала до приобретения АС или аппаратуры, которые должны интегрироваться в вашу комнату не нарушая сложившуюся в ней динамику. Цель хорошей комнаты прослушивания: минимизировать окраску, которая является самой сильной в басовом регионе между 20 и 200 Hz. В более высоких частотах комната так же имеет влияние, но резонансы являются намного менее проблематичными, так как намного легче добиться поглощения высокочастотных резонансов. Любая комната будет резонировать во многих частотах.

Точность и высота резонансного пика зависят от поглощающих свойств комнаты. Комната с большим количеством мягкой мебели, с коврами на полу и драпами будет акустически относительно “мертвой”. Пики и провалы в ответе частоты в таких помещениях имеют неравномерность 5-10 db. Комната с голыми стенами и полом будет очень “живая”, и пики и провалы изменяются 10-20 dB или больше. Общее правило таково: в акустически хорошей и правильной комнате можно располагать АС достаточно близко к отражающим поверхностям с минимальными отрицательными последствиями. В акустически плохих комнатах главная стратегия состоит в том, что бы разместить АС максимально далеко от границ комнаты и самого слушателя насколько это возможно.

Если мы чувствуем ряд глубоких провалов или пиков в частоте, значит это результат отражений. Сокращение уровня отражений выравнивает фактическую кривую ответа частоты Самое важное – минимизировать ранние отражения (меньше 20ms) в максимально возможной степени.. Их сокращение улучшает качество звука и стереообраз. Как улучшить акустику комнаты, чтобы эта кривая пригладилась? Это может быть сделано с помощью поглощающих материалов, закрывающих твердые поверхности около АС. Лучшая, наиболее полезная среда для прослушивания, – полное совмещение принципов “живой” и “мертвой” акустики комнаты. Я лично предпочитаю слегка заглушенную (dead) комнату в отличие от живой, звонкой (live). Как это можно определить без специальных приборов? Хлопните в ладоши. Покажется вам, что затухание звука естественно, или слишком долго гаснет (live), или наоборот слишком быстро затухает (dead)? Лучшее решение состоит в том, что бы обеспечить комнату разумным балансом дисперсии и поглощения. Комната с голыми стенами будет иметь сильное эхо, которое ухудшает ясность. Картины на стенах, книжные полки, драпировка, напольные покрытия обеспечат звуковое поглощение и рассеют вредные отражения. Неприкрытые окна, голые полы и стены не желательны.

АС должны располагаться в акустически мертвой зоне, занимающей примерно 1/3 пространства комнаты. Затем идет очень живая зона комнаты, в которой должны находиться предметы рассеивающие, но не поглощающие звук. Чем ближе поглощающая поверхность (ковер) к АС, тем лучше. Различные типы ковров и сама подкладка (основа) ковра больше всего влияют на верхнюю середину и в/частоты. Чем толще и больше ковер, или ковровое покрытие, тем больше они будут “впитывать” эти частоты. Ковры и шторы уменьшают реверберации в комнате, и, как следствие, передачу звуковой энергии стенам. Ковровые покрытия почти не влияют на низкие частоты, но средние частоты могут переглушить. Я предпочитаю не толстый ковер от стены к стене. Это резонно хотя бы потому, что основная масса производителей АС решающие прослушивания своих изделий проводят в комнатах с полностью заглушенным полом.

Многие специалисты считают, что основа ковра/покрытия должна быть из естественных волокон, а не из резины или вспененного каучука, т.к. они поглощают частоты выборочно – некоторые частоты значительно приглушаются, а другие не приглушаются совсем. Самое важное – минимизировать ранние отражения. Их сокращение улучшает качество звука и стереообраз. Все проектировщики студий звукозаписи стараются уменьшить именно ранние отражения в максимально возможной степени. Как расположить АС в комнате надлежащим образом? Вы должны преследовать 2 основных цели: плоская частотная характеристика и хороший трехмерный образ. Даже при том, что у вас хорошие АС, влияние комнаты очень важный фактор. Во многих случаях важнее обратить внимание на акустику комнаты, чем потратить в 2 раза больше денег на новые АС.

Симметрия

Окружающая среда сзади и по бокам АС должна быть симметрична. В меньшей степени важна окружающая среда непосредственно рядом со слушателем. Относительно симметрии передних и задних стен имеется много сторонников различных мер. Большинство (но не все) соглашаются, что стена позади слушателя должна быть с хорошими отражающими свойствами.

Профессионалы считают, что вся область вокруг АС должна быть заглушена, чтобы максимально уменьшить отражения. Еще один момент: желательно заглушить боковые стены лишь непосредственно перед АС, чтобы минимизировать близкие отражения боковой стены. Для лучшего воспроизведения трехмерной звуковой картинки комната должна иметь хорошую симметрию между и вокруг АС. Это означает, что если АС расставлены не симметрично, ранние отражения от задней стены у первой АС будут отличаться от отражений второй АС, и критические части стереосигнала будут повреждены. Обязательно чтобы расстояние от вас до обеих АС была максимально идентичным. В хороших системах отклонение в несколько см. будет отчетливо слышно. Обычно считается что АС и слушатель должны образовывать равносторонний треугольник, но это не абсолютное правило. Некоторые производители дают свои рекомендации по расстановке своих АС. Помните, что любая рекомендация – только старт, начало для эксперимента, поэкспериментировав как следует, вы добьетесь желаемых результатов.

Направленный звук от АС прежде всего ответственен за imaging (образность звуковой картинки), в то время как отраженный звук больше всего влияет на изменение тонального баланса АС – в смысле плотности звука, или его истощения и т.д. Любая отражающая поверхность – стена, пол, мебель, создает отражения. Исходя из этого и надо располагать АС. Самое важное максимально уменьшить естественные отражения. Ранние отражения достигают слушателя почти одновременно с прямым звуком, деградируя сигнал. Например АС с широкими передними панелями – планары и др., менее критичны к близлежащим боковым стенам и поверхностям, но очень критичны к близости к задней стене. В общем, чем дальше от отражающих поверхностей и чем дальше от задних стен – тем большей будет глубина soundstage и будет больше “воздуха” .

Расположение слушателя

Слушатель должен сидеть точно посередине между АС, расстояние до слушателя, чуть больше чем расстояние между АС. Если вы не соблюдете это правило, вы никогда не услышите хорошей звуковой картинки. В комнате с пропорциональными размерами лучшее расположение слушателя 30-90 см от задней стены. Если вы сидите прямо у стены, вы должны немного заглушить место на стене непосредственно позади вашей головы. Ваш мозг не сможет обработать эти отражения, но поверьте мне, в данном случае они могут сильно повлиять на звук.

Помните одну вещь – близость головы к тыловой стене имеет два положительных эффекта. Во-первых, вблизи у стен самое высокое звуковое давление, а скорость звуковых волн самая минимальная. Расположение в зоне максимального давления дает лучшее восприятие глубокого баса. Во-вторых, отраженные звуковые волны короче чем окружность головы, так что мозг не может измерить задержку времени между ушами. Когда мозг не может определить отражения – он игнорирует их.

Это простой пример того, как мозг игнорирует нежелательную или несущественную информацию и подтверждение эффекта Хааса – если информация от АС придет первой, то любые искажения и отражения (даже неприятные) придут позже и на значительно меньшей громкости – и наш мозг проигнорирует их.

Часто слушатель сидит слишком далеко от АС. Чем дальше вы сидите, тем больше свободное пространство комнаты воздействует на звук, особенно это относится к средним и высоким частотам, но близко – тоже плохо – звук не успеет оформиться в картинку. Большое значение имеет высота АС. Лучше всего, когда ВЧ динамик расположен чуть выше уха (но не всегда) – экспериментируйте, выше или ниже сидеть. Развал схождение – этим методом достигается сосредоточение звукового образа (imaging) и регулировка тонального баланса, а так же оптимизация средних и высоких частот с помощью регулировки их направленности. Легче всего это делать вдвоём. Сначала направьте АС так, чтобы они смотрели на точку немного позади головы слушателя – сохраняя одинаковое расстояние от уха до твиттера каждой АС. Поставьте музыку с вокалом или скрипкой. Один человек должен наблюдать за фокусом. Другой должен вращать АС вокруг внутреннего перед-него шипа. Слушатель должен обнаружить какое расположение АС наилучшее. Когда это сделано, установите вторую АС идентично первой. Одни АС работают лучше завернутыми внутрь, другие иначе, но лучше всего не большой поворот внутрь или вообще не трогать. Следуйте за рекомендациями изготовителя.

Самое главное – правильно заполнить центральные образы без привнесения в жертву ширины soundstage. Наклон АС так же важный фактор – вперед назад, внутрь и т.д. – тоже влияет на звук. Многие производители делают отрицательный наклон передних панелей своих АС для достижения должной образности и когерентности звучания динамиков.

Высота прослушивания

В двухполосных АС ваши уши должны находиться на условной линии между ВЧ и вуфером, в 3 полосных – на линии между ВЧ и СЧ динамиком. Имейте в виду, что лучшее местоположение для создания просторного soundstage, не может быть идеальное местоположение для баса. Мы должны найти такой компромисс, при котором эти характеристики максимальны в нашем представлении. На личный вкус можно иногда пожертвовать одним ради другого. Развязка от пола самый важный момент при установке АС. Только после решения этого вопроса вы сможете услышать ваши АС такими, какие они и есть на самом деле. АС больше всего подвержены резонансам, поэтому больше всего нуждаются в жесткой фиксации. Самое главное, что дает жесткая установка колонок, – это четкая фокусировка, ясность, детальность, слитность, хорошо артикулированный бас. Звук станет плотнее и четче, особенно на большой громкости. Чем дороже ваша система, тем больше требований к установке АС. Слишком низкое расположение колонок сужает динамический диапазон. Улучшение акустических характеристик вашей комнаты может полностью изменить ваше мнение относительно качества вашей системы. Какие характеристики комнаты влияют на звучание. Весь звук в границах вашей комнаты будет зависеть от комбинации трёх акустических характеристик: отражения, рассеивание, поглощение. Хорошая комната прослушивания будет иметь пропорциональное количество этих характеристик. Чем меньше расстояние между стенами, где расположены АС и слушатель, тем более звонкое звучание, чем больше расстояние между этими стенами, тем глубже бас. Отражения: вся или большинство звуковой энергии состоит из отражений, происходящих в комнате по правилу: угол падения равен углу отражения. Твердые плоские и гладкие поверхности – голые стены, стекло, голые твёрдые поверхности мебели – отражают звуковую энергию.

Рассеивание

Все или большинство звуковых волн, отраженных обратно в комнату, находятся там уже в беспорядочном состоянии – беспорядочно рассеянная звуковая масса. Твердые, неплоские, шероховатые, ребристые поверхности, цилиндрической и округлой формы предметы – рассеивают звук. Поглощение в противоположность отражениям, большинство звуковой энергии впитывается. Мягкие пористые поверхности ковры, половые покрытия, мягкая мебель, драпировки из толстой ткани и т.д. – поглощают.

Качество низких частот в вашей комнате в большей степени зависит от самой комнаты. Поскольку длина волны басовых частот очень большая, большая часть обстановки, оформление стен и пола делают очень немного для изменения басовых частот в комбинации room/speakers. Поэтому оптимизация низких частот является вопросом выбора комнаты прослушивания с оптимальными размерами (соотношениями) и расположения в этой комнате АС. Низкочастотная энергия распространяется сферически во всех направлениях одинаково. Когда низкочастотная звуковая волна ударяется о преграду (стена), басовая энергия – большей частью – отражается обратно в комнату, отражаясь от каждой преграды – пол, стены, потолок. Вуфер должен находиться на неравном расстоянии от трех ближайших боковых плоскостей комнаты. Всё это существенно, т.к. ближайшая к АС отражающая плоскость усиливает некоторые басовые частоты.

Если отражающие плоскости находятся от АС на равном расстоянии, некоторые басовые частоты будут усилены очень сильно. Т.е. если ваша АС стоит на одинаковом расстоянии от задней стены, боковой стены и стенки шкафа или комода, то вы получите тройное усиление каких-то одних групп басовых частот, что приведет к очень слышимому гулу на этих частотах. Если двери находятся в углах комнаты, бас может просто напросто “вытекать” через них. При серьезном прослушивании надо двери закрывать. Дело обстоит не так для средних и высоких частот, где энергия направлена более сосредоточенным и управляемым образом, конусообразно, по рупорному принципу. Низкочастотные отражения, резонансы можно достаточно просто регулировать, манипулируя расстановкой АС, варьируя расстояниями от колонки до ближайшей стены.

Чем сильнее будут отличаться друг от друга все три эти параметра (расстояния), тем меньше будет “унисон” , соответственно меньше будут нежелательные резонансы. Стоячие волны- это низкочастотные отражения (резонансы) между двумя параллельными стенами, основные враги хорошего звука. Они окрашивают звучание в вашей комнате, подчеркивая некоторые музыкальные ноты и создают грубое и неестественное распределение акустической энергии в пределах комнаты. Распространение стоячих волн – собственность физических характеристик комнаты и не имеет никакого отношения к аппаратуре. В прямоугольных комнатах стоячие волны возникают во всех трёх направлениях одновременно, оказывая очень сложно распределённое давление в пределах комнаты Стоячие волны – причины заметных окрашиваний выше приблизительно 300 Гц. Однако изолированные или случайные стоячие волны могут быть заметны и ниже этой частоты. Стоячие волны являются по существу осколками каких-либо частот сбившихся в кучу, в каких- либо местах в комнате. Равномерно распределённые окрашивания почти не проблематичны по сравнению со стоячими волнами. Понимание того, чем являются стоячие волны и как они работают будет полезно для лучшей оптимизации вашей комнаты и ваших АС.

Определение осевой постоянной стоячей волны между двумя параллельными стенами может быть легко рассчитана следующим уравнением: (1) Fo = 1130 / 2L или (2) Fo = 565 / L (где константа 1130 – скорость света в футах в секунду, L – расстояние между стенами в футах пример: вычисление фундаментальных стоячих волн в трех основных направлениях для комнаты размером 4,8 (ш) * 7,8 (д) * 2,4 (в) между коротких стен Fo w = 565/16 = 35 Гц между длинных стен Fo l = 565/26 = 22 Гц между полом и потолком Fo h = 565/ 8 = 70 Гц .

Обратите внимание, что в этом примере высота стены в 2 раза меньше длины короткой стены Foh = 2Fow = 70 Гц . Эта комната имела бы значительную окраску на 70 Гц, 140 Гц, 210 Гц и далее кратно 70. Худшее возможное тональное распределение происходит, когда измерения комнаты равны во всех трех направлениях, т.е. когда комната – идеальный куб. В такой комнате гармоники всех резонансных частот будут равны между собой, а резонансы низких частот будут чрезвычайно грубы и окрашены. Наилучшее возможное тональное распределение будет в комнате, размеры которой не связаны одним целым (кратным) числом. L24*W24*H8 -плохой пример – все разекры кратны 8 L26*W15*H8 – хороший пример. Самое гладкое басовое расширение будет получено, если частоты отраженной энергии будут распределяться равномерно и не будут смешиваться в кучу.

Определение баса в комнате. Число 550 – половина скорости звука в секунду над уровнем моря. Деля это число на какую-либо басовую частоту, скажем 20 Гц, мы получим наименьшее расстояние между стенами, при которой эта частота будет поддержана комнатой. Если разделить это число на басовую частоту 20 герц, мы получим 27,5 футов – такое минимальное расстояние должно быть между стен вашей комнаты для того, чтобы поддержать эту частоту. Если расстояние между противоположными стенами, где расположены слушатель и АС, составляет 12,8 фута, значит 550/12,8 = 43 Гц – нормально для британской АС среднего размера, но позорно для АС типа Infinity Bass Tower.

Предположим вы хотите иметь бас ниже 35 Гц – 550/35= 15,7 футов – минимальное расстояние между стен, чтобы поддержать частоту 35 Гц. Но это число – 15,7 – почти двойная высота стандартной комнаты – и это плохие вести. Комната будет иметь одни и те же стоячие волны в двух направлениях.Но не расстраивайтесь, мало вероятно, чтобы эти размеры были строго кратны двум. Звуковая сцена и звуковая картинка зависят от расположения АС, их ориентации и акустики комнаты. Оптимизация расположения АС – трудная задача. Поскольку расположение АС одинаково важно и для soundstage и для хорошего воспроизведения баса, вы должны найти между этими характеристиками компромисс – намного лучше немного пожертвовать уменьшением баса для получения хороших staging/imaging. Глубина сцены лучше всего, когда АС расположены на некоторой дистанции от фронтальной стены – это понизит эффект от ранних её отражений, улучшит сфокусированность образов, позволит колонкам “дышать”. В системах высшего разрешения, точно расположенных в акустическом пространстве, звуковая сцена может простираться далеко за пределы комнаты прослушивания: тыл сцены не упирается в заднюю стену, а естественным образом простирается вглубь. Ширина сцены на окончательную ширину будет воздействовать расстояние между АС и развал –схождения колонок. Но помните, что на большинстве записей эта звуковая характеристика плохо записана.

Определение расстояние между АС

Поставьте запись с хорошей фокусировкой центрального образа – например вокал. Расположите АС примерно на 1.8 – 2 метра друг от друга, и чтобы они были направлены в точку немного позади вашей головы. Слушайте, достаточно ли звук сфокусирован. Раздвиньте АС дальше – сантиметров на 30 и слушайте снова и т.д.. Когда центр начнет тончать и расплываться и становиться разбросанным, знайте, что дальше раздвигать АС нельзя. Вы теперь знаете, насколько широко можно расставить АС не потеряв soundstage и плотность центрального образ (фокус). Фокус в значительной степени, но не полностью, связан с передачей АС высоких частот. Наше ухо использует их для очертания предмета. Поэкспериментируйте с развал – схождением.

ВЧ распространяются очень направленно. Счастливый побочный эффект от узкой направленности ещё и в том, что уменьшаются побочные отражения от близлежащих поверхностей, минимизируя эхо отраженных частот, которые влияют на звуковую картинку.

Регулировка баланса

Если баланс системы отрегулирован так, что звук распространяется неровно по всему фронту и он плохо сфокусирован, значит причина может быть в том, что одна АС ближе к вам, чем другая. Например, если ведущий вокал, который должен звучать по центру приходит к вам справа, правый спикер должен быть отодвинут назад или левый выдвинут вперёд. Обычно даже 2-3 см разницы в расстоянии до вас уже отчетливо слышны.

Перемещения АС

Все боковые перемещения АС влияют больше на мidbass а перемещение “вперёд – назад” влияют больше на глубину баса.

Плотность звукового образа- одна из необычных и музыкально очень красивых характеристик – способность сконцентрировать не только энергию ВЧ, но так же и богатство музыкальной энергии сосредоточенной в СЧ и верхнем басу. Из-за широкой характеристики рассеивания этих частот, плотность образа в этой части не зависит от того, какие края у АС – острые или скругленные. Узкий корпус с сильно скругленными краями позволяет снизить отражения от передней панели, но появляются проблемы возникновения внутри ящика стоячих волн. Узкий корпус способствует хорошему воспроизведению СЧ, т.к. чем уже корпус, тем более звучание становится всенаправленным. Если АС с широкой диаграммой направленности (узкий корпус) расположить в звонкой комнате, то тембр её звучания будет сильно искажен. Узкий корпус и небольшие динамики приводят к нехватке телесности и образности. Такие АС надо размещать подальше от отражающих поверхностей. Счастливый побочный эффект от узкой направленности ВЧ – уменьшаются побочные отражения от близких поверхностей, минимизируя первичные отражения, которые влияют на звуковую картинку.

Широкие передние панели и неглубокие корпуса – залог наиболее правильных характеристик направленности и сбалансированности н/ч диапазона в условиях реального помещения прослушивания.

По Питеру Квортрупу

Если АС имеют узкую направленность (широкий корпус), а акустика комнаты глуховата – вы услышите собственно звучание АС.

Исследования фирмы Bryston по акустическому оформлению и расположению АС

Резонансные характеристики комнаты зависят от ее конфигурации (пропорций) и оформления. Квадратная комната с голыми стенами имела бы самую плохую возможную акустику для аудио системы. В квадратных комнатах возникают стоячие волны сразу в трех направлениях, они ослабляют и изменяют одни частоты и укрепляют другие, усиливая резонансные пики в очень узком диапазоне. Эти пики очень сильно изменяют звук. Голые стены имеют проблемы с ранними отражениями (High Q) – они не дают звуку раскрыться, делая его звонким, сужая динамический диапазон и сильно влияя на тональный баланс. В концертном зале мы имеем три основных эффекта, влияющие на то, какую информацию получит наш мозг относительно акустических качеств этой окружающей среды:

1. Первая звуковая прямая волна, прибывающая к нам от инструментов.
2. Вторая звуковая волна отраженная от ближайших стен.
3. Отраженная энергия, которая является случайными призвуками от всех находящихся внутри предметов и не имеет никакого направления.

Прямой звук сообщает мозгу откуда доносится звук. Ранние отражения, если они доходят до нас в пределах 10-20 мл/секунд, будут искажать звуковую картинку, тональность и т.д. Поздние отражения (ambience), наоборот будут добавлять ощущение просторности, пространственности, воздушности окружающей среды. В хорошем концертном зале прямой звук доходит до слушателя на 20-30 мл/сек. раньше, чем первичные отражения. А вторичные отражения приходят позже на целых 100 мл/сек. Очевидно, что в своей комнате прослушива-ния мы должны стремиться получит подобные результаты.

Надо заметить, что поп и рок музыка обычно записывается в акустически мертвой среде студии в “ближнем поле”, которое имеет тенденцию предотвращать первичные отражения и High Q звонкость. (поэтому наверное студийные мониторы часто звучат в комнатах звонко и резко, т.к. в студиях они прослушиваются в ближнем поле и в очень заглушенной среде, где эта звонкость и резкость не проявляется, но все детали записи слышны отчетливо).

Так вот, если ваша акустика комнаты будет близка к концертному залу, рок музыка будет звучать превосходно. Как же достичь подобных результатов в обычной комнате 12*18*9 футов (почти стандартная российская комната, надо сказать, В.М.)? Вы должны разместить ваши АС так, что бы сначала прямой звук достиг ваших ушей, используя при этом абсорбенты (поглотители) в местах первых отражений от боковых стен. А вот позади вас должно быть больше пространства для создания большего звукового поля. Сядьте в кресло. Попросите кого либо подвигать зеркало вдоль боковой стены. Когда вы увидите отражение АС в зеркале – это первая точка, откуда последуют ранние отражения. Звук отражается как и свет – угол падения…. В этом месте и надо разместить поглотитель. Сядьте на расстоянии 20-30 см. от задней стены. Не помещайте никаких поглощающих материалов позади головы. Там могут быть только рассеивающие звук материалы, распределяя случайную ненаправленую звуковую энергию, которая добавляет ощущение простора в комнате, потому что это случайная энергия (поздние отражения) прибывает намного позже, чем прямой звук. Помещайте в углы комнаты поглощающие материалы.

Другие меры – мягкие кресла, цветы, статуи и т.д. Они также будут рассеивать или поглощать вторичные отражения. Очевидно, что эти предметы не будут так же эффективны, как спец изделия, но это – шаг в правильном направлении. Гланая цель, которую вы должны запомнить: ранние отражения и недостаток поздних случайных отражений мозг использует, чтобы определить тот факт, что вы находитесь в маленьком помещении. Поэтому сокращая эффект ранних отражений, сокращая эффект от воздействия стоячих волн и звонкости, вам будет все больше казаться, что вы находитесь в зале вместе с исполнителями.

Эта информация основана на научном исследовании и наблюдениях, а так же на опыте некоторых наиболее успешных дилеров. Решения, представленные здесь. нацелены на ограничение вмешательства вашей комнаты на звук. Мы поможем разместить ваши АС через примененние психоакустики и физики. Этот метод может давать превосходные результаты через экспериментирование, без использования специальной обработки комнаты. Каким образом мы распологаем звуковые события в пространстве? Наш мозг определяет задержку времени возникновения звука между двумя нашими ушами. Если не имеется никакой задержки, значит звук исходит из точки, расположенной непосредственно перед нами. Если звуковая волна достигает сначала правого уха, значит звук находится справа и т.д. Эта пространственная информация – звуковые переходные процессы – мгновенно определяется мозгом. Определяя задержку между правым и левым ухом, наш мозг с необыкновенной точностью определяет, насколько правее или левее, или насколько ближе или дальше, находится от нас источник звука. Именно по задержке звука между нашими ушами мозг определяет важнейшую звуковую характеристику – тональность. Это недавно было доказано в научных исследованиях. И как полагают, является критической частью нашего исторического выживания. Иначе говоря, мы сначала определяем источник звука – например потенциальная опасность – а затем пробуем иденфицировать то, что явилось источником звука.

Первый шаг к получению хорошей stereo soundstage – вы должны устранить ранние отражения от основных переходных процессов в максимально возможной степени. Или, практически, вы должны добиться, чтобы звук от спикеров достигал ваших ушей раньше, чем любые отражения от этого звука. Согласно psychoacoustic явлению, названному эффектом Haas. мозг отдаст приоритет первой звуковой волне не искаженной отражениями.

Определение наилучшего расположения АС учитывая размеры комнаты

Этот метод фирма Audio Physic назвала картографией комнаты. Принцип этой техники основан на волновом явлении (феномене). Точно измерьте комнату и нарисуйте её план. Разделите комнату на равные части. Два способа – четное и нечетное количество зон. При разделении плана комнаты на четное количество зон. Размещая АС и/или свой стул даже не в точку пересечения, а в одну из разделённых частей – вы получите естественное укрепление баса от взаимодействия с комнатой. В точках пересечения басовые частоты будут усилены. Метод настройки баса и midbass предполагает похожий принцип – уменьшение, а не усиление низких частот. Это происходит в случае разделения комнаты на нечетное количество зон. Чтобы сделать это, Вы перемещаете АС в нечетные части плана комнаты. Важно помнить, что комната может быть разделена на гораздо большее количество частей чем 3 или 4. В четных разделах бас укрепляется, в нечетных – ослабляется. Другой пример (фирма Bryston) – если вы размещаете АС с превосходной характеристикой ответа частоты в углы комнаты, вы получаете подъем частоты на басах около -6 db. Этот подъем явная аномалия, но то же самое происходит в других местах комнаты, только в меньшей степени. Мы произвели исследования и обнаружили, что увеличение или уменьшение происходит в определенных узлах (точках) комнаты. В нечетных узлах возбуждение имеет минимальное значение и наоборот. Например ваша комната имеет размер 14*18 футов (фут = 0,3 м). Возьмите любой размер – длину или ширину – и разделите на нечетное количество частей, скажем 18 делим на 3,5,7.. вы получите значения = 6, 3.6, 2.57 – три возможных положения (позиции) при размещении у длинной стены. Делим 14 на три части – получаем значения = 4.67, 2.8, 2. – возможные местоположения у короткой стены. Теперь разместите АС в точке пятого значения в длину и седьмого в ширину комнаты. Пятое значение длины у нас = 3.6 футам, седьмое значение ширины = 2 футам. АС надо разместить в точке пересечения, там возбуждения низких частот будут минимальны. Помните: надо проверить все варианты для получения оптимальных результатов. Важная деталь – точка пересечения должна проходить не через переднюю или заднюю панель АС, а через магнит вуфера. Если это правило соблюдается, вы ощутите явный результат. Экспериментирование – ключ к успеху. В процессе этого вы обнаружите многие вещи, работающие не так, и сможете минимизировать эти недостатки. Самое важное – стоячие волны и ранние отражения – их надо минимизировать в максимально возможной степени.

Акустика - область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких частот до предельно высоких (10 12 -10 13 Гц). Современная акустика охватывает широкий круг вопросов, в ней выделяют ряд разделов: физическая акустика, которая изучает особенности распространения упругих волн в различных средах, физиологическая акустика, изучающая устройство и работу звуковоспринимающих и звукообразующих органов у человека и животных, и др. В узком смысле слова под акустикой понимают учение о звуке, т.е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твердых телах, воспринимаемых человеческим ухом (частоты от 16 до 20 000 Гц).

8.1. ПРИРОДА ЗВУКА. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Звуковые колебания и волны - частный случай механических колебаний и волн. Однако в связи с важностью акустических понятий для оценки слуховых ощущений, а также в связи с медицинскими приложениями целесообразно некоторые вопросы разобрать специально. Принято различать следующие звуки:

1) тоны, или музыкальные звуки;

2) шумы;

3) звуковые удары.

Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом. Если этот процесс гармонический, то тон называется простым или чистым, а соответствующая плоская звуковая волна описывается уравнением (7.45). Основной физической характеристикой чистого тона является частота. Ангармоническому 1 колебанию соответствует сложный тон. Простой тон издает, например, камертон, сложный тон создается музыкальными инструментами, аппаратом речи (гласные звуки) и т.п.

Сложный тон может быть разложен на простые. Наименьшая частота ν ο такого разложения соответствует основному тону, остальные гармоники (обертоны) имеют частоты, равные 2ν ο , 3ν ο и т.д. Набор частот с указанием их относительной интенсивности (амплитуды А) называется акустиче-

1 Ангармоническое - негармоническое колебание.

ским спектром (см. 6.4). Спектр сложного тона линейчатый; на рис. 8.1 показаны акустические спектры одной и той же ноты (ν 0 = 100 Гц), взятой на рояле (а) и кларнете (б). Таким образом, акустический спектр - важная физическая характеристика сложного тона.

Шумом называют звук, отличающийся сложной неповторяющейся временной зависимостью.

Рис. 8.1

К шуму относятся звуки от вибрации машин, аплодисменты, шум пламени горелки, шорох, скрип, согласные звуки речи и т.п.

Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Если попытаться с некоторой степенью условности разложить шум в спектр, то окажется, что этот спектр будет сплошным, например спектр, полученный от шума горения бунзе-новской газовой горелки (рис. 8.2).

Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т.п. Не следует путать звуковой удар с ударной волной (см. 7.10).

1 Строго говоря, в этой формуле под р следует понимать среднюю амплитуду звукового давления.

8.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУХОВОГО ОЩУЩЕНИЯ. ЗВУКОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

В 8.1 рассматривались объективные характеристики звука, которые могли быть оценены соответствующими приборами независимо от человека. Однако звук является объектом слуховых ощущений, поэтому оценивается человеком субъективно.

Воспринимая тоны, человек различает их по высоте.

Высота - субъективная характеристика, обусловленная прежде всего частотой основного тона.

В значительно меньшей степени высота зависит от сложности тона и его интенсивности: звук большей интенсивности воспринимается как звук более низкого тона.

Тембр звука почти исключительно определяется спектральным составом.

На рис. 8.1 разные акустические спектры соответствуют разному тембру, хотя основной тон и, следовательно, высота тона одинаковы.

Громкость - еще одна субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения.

Несмотря на субъективность, громкость может быть оценена количественно путем сравнения слухового ощущения от двух источников.

В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера-Фехнера: если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Применительно к звуку это означает, что если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений, например а1 0 , а 2 1 0 , а 3 1 0 (а - некоторый коэффициент, а >1) и т.д., то соответствующие им ощущения громкости звука Е 0 , 2Е 0 , 3E 0 и т.д.

Математически это означает, что громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука.

Если действуют два звуковых раздражения с интенсивностями I и I 0 , причем I 0 - порог слышимости, то на основании закона Вебера- Фехнера громкость относительно него связана с интенсивностями следующим образом:

E = klg(I / I,), (8.3)

где k - некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.

Если бы коэффициент k был постоянным, то из (8.1) и (8.3) следовало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука соответствует шкале громкостей. В этом случае громкость звука, так же как и интенсивность, выражалась бы в белах или децибелах. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому использованию формулы (8.3).

Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т.е. k = 1 и E b = lg(I/I 0), или, по аналогии с (8.2):

Е ф = 10 lg(I/l0). (8.4)

Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкости децибелы называют фонами (фон).

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук со звуком частотой 1 кГц. Для этого с помощью звукового гене-ратора 1 создают звук частотой 1 кГц. Изменяют интенсивность звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1 кГц в децибелах, измеренная по прибору, равна громкости этого звука в фонах.

Для того чтобы найти соответствие между громкостью и интенсивностью звука на разных частотах, пользуются кривыми равной громкости (рис. 8.4). Эти кривые построены на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом при измерениях, проводимых по описанному выше методу.

Нижняя кривая соответствует интенсивностям самых слабых слышимых звуков - порогу слышимости; для всех частот Еф = 0, для 1 кГц интенсивность звука I 0 = 1 пВт/м 2 . Из приведенных кривых видно, что среднее человеческое ухо наиболее чувствительно к частотам 2500- 3000 Гц. Каждая промежуточная кривая соответствует одинаковой громкости, но разной интенсивности звука для разных частот. По отдельной кривой, равной громкости, можно найти интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости. Используя совокупность кривых равной громкости, можно найти для разных

1 Звуковым генератором называют электронный прибор, генерирующий электрические колебания с частотами звукового диапазона. Однако сам звуковой генератор не является источником звука. Если же создаваемое им колебание подать на динамик, то возникает звук, тональность которого соответствует частоте генератора. В звуковом генераторе предусмотрена возможность плавного изменения амплитуды и частоты колебаний.

частот громкости, соответствующие определенной интенсивности. Например, пусть интенсивность звука частотой 100 Гц равна 60 дБ. Какова громкость этого звука? На рис. 8.2 находим точку с координатами 100 Гц, 60 дБ. Она лежит на кривой, соответствующей уровню громкости 30 фон, что и является ответом.

Чтобы иметь определенные представления о различных по характеру звуках, приведем их физические характеристики (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией. При аудио-метрии на специальном приборе (аудиометре) определяют порог слухового ощущения на разных частотах; полученная кривая называется ау-диограммой. Сравнение аудиограммы больного человека с нормальной кривой порога слухового ощущения помогает диагностировать заболевание органов слуха.

Для объективного измерения уровня громкости шума используется шумомер. Структурно он соответствует схеме, изображенной на рис. 8.3. Свойства шумомера приближаются к свойствам человеческого уха (см. кривые равной громкости на рис. 8.4), для этого для разных диапазонов уровней громкости используются корректирующие электрические фильтры.

8.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗВУКОВЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ В КЛИНИКЕ

Звук, как и свет, является источником информации, и в этом главное его значение.

Звуки природы, речь окружающих нас людей, шум работающих машин многое сообщают нам. Чтобы представить значение звука для человека, достаточно временно лишить себя возможности воспринимать звук - закрыть уши.

Естественно, звук может быть и источником информации о состоянии внутренних органов человека. Распространенный звуковой метод

диагностики заболеваний - аускультация (выслушивание) - известен еще со II в. до н.э. Для аускультации используют стетоскоп или фонендоскоп. Фонендоскоп (рис. 8.5) состоит из полой капсулы 1 с передающей звук мембраной 2, прикладываемой к телу больного, от нее идут резиновые трубки 3 к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вследствие чего усиливается звучание и улучшается ау-скультация.

При аускультации легких выслушивают дыхательные шумы, разные хрипы, характерные для заболеваний. По изменению тонов сердца и появлению шумов можно судить о состоянии сердечной деятельности. Используя аускультацию, можно установить наличие перистальтики желудка и кишечника, прослушать сердцебиение плода.

Для одновременного выслушивания больного несколькими исследователями с учебной целью или при консилиуме используют систему, в которую входят микрофон, усилитель и громкоговоритель или несколько телефонов.

Для диагностики состояния сердечной деятельности применяется метод, подобный аускультации и называемый фонокардиографией (ФКГ). Этот метод заключается в графической регистрации тонов и шумов сердца и их диагностической интерпретации. Запись фонокардио-граммы производят с помощью фонокардиографа (рис. 8.6), состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства. На рис. 8.7 показана нормальная фонокардиограмма.

Принципиально отличным от двух изложенных выше звуковых методов является перкуссия. В этом методе выслушивают звучание отдельных частей тела при простукивании их.

Представим замкнутую полость, заполненную воздухом внутри какого-нибудь тела. Если вызвать в этом теле звуковые колебания, то при определенной частоте звука воздух в полости начнет резонировать, выделяя и усиливая тон, соответствующий размеру и положению полости.

Схематично тело человека можно представить как совокупность газонаполненных (легких), жидких (внутренние органы) и твердых (кость) объемов. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Из этого диапазона одни колебания погаснут довольно быстро, другие же, совпадающие с собственными колебаниями пустот, усилятся и вследствие резонанса будут слышимы. Опытный врач по тону перкуторных звуков определяет состояние и топографию внутренних органов.

8.4. ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН. РЕВЕРБЕРАЦИЯ

Звуковое давление р зависит от скорости υ колеблющихся частиц среды. Вычисления показывают, что

Таблица 8.2

Используем (8.8) для вычисления коэффициента проникновения звуковой волны из воздуха в бетон и в воду:

Эти данные производят впечатление: оказывается, только очень малая часть энергии звуковой волны проходит из воздуха в бетон и в воду. Во всяком закрытом помещении отраженный от стен, потолков, мебели звук падает на другие стены, полы и пр., вновь отражается и поглощается и постепенно угасает. Поэтому даже после того, как источник звука прекратит действие, в помещении все еще остаются звуковые волны, которые создают гул. Особенно это заметно в больших просторных залах. Процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения источника называют реверберацией.

Реверберация, с одной стороны, полезна, так как восприятие звука усиливается за счет энергии отраженной волны, но, с другой стороны, чрезмерно длительная реверберация может существенно ухудшить восприятие речи, музыки, так как каждая новая часть текста перекрывается предыдущими. В связи с этим обычно указывают некоторое оптимальное время реверберации, которое учитывается при постройке аудиторий, театральных и концертных залов и т.п. Например, время реверберации заполненного Колонного зала Дома Союзов в Москве равно 1,70 с, заполненного Большого театра - 1,55 с. Для этих помещений (пустых) время реверберации соответственно 4,55 и 2,06 с.

8.5. ФИЗИКА СЛУХА

Слуховая система связывает непосредственный приемник звуковой волны с головным мозгом.

Используя понятия кибернетики, можно сказать, что слуховая система получает, перерабатывает и передает информацию. Из всей слуховой системы для рассмотрения физики слуха выделим наружное, среднее и внутреннее ухо.

Наружное ухо состоит из ушной раковины 1 и наружного слухового прохода 2 (рис. 8.8).

Рис. 8.9

Ушная раковина у человека не играет существенной роли для слуха. Она способствует определению локализации источника звука при его расположении в сагиттальной плоскости. Поясним это. Звук от источника попадает в ушную раковину. В зависимости от положения источника в вертикальной плоскости (рис. 8.9) звуковые волны будут по-разному дифрагировать на ушной раковине из-за ее специфической формы. Это приведет и к разному изменению спектрального состава звуковой волны, попадающей в слуховой проход (более детально вопросы дифракции рассматриваются в 24.6). Человек в результате опыта научился ассоциировать изменение спектра звуковой волны с направлением на источник звука (направления А, Б и В на рис. 8.9).

Обладая двумя звукоприемниками (ушами), человек и животные способны установить направление на источник звука и в горизонтальной плоскости (бинауральный эффект; рис. 8.10). Это объясняется тем, что звук от источника до разных ушей проходит разное расстояние и возникает разность фаз для волн, попадающих в правую и левую ушные раковины. Связь между разностью этих расстояний (δ) и разностью фаз (Δφ) выведена в 24.1 при объяснении интерференции света [см. (24.9)]. Если источник звука находится прямо перед лицом человека, то δ = 0 и Δφ = 0, если источник звука расположен сбоку против одной из ушных раковин, то в другую ушную раковину он попадет с запаздыванием. Будем считать приближенно, что в этом случае δ равно расстоянию между ушными раковинами. По формуле (24.9) можно рассчитать для ν = 1 кГц и δ = 0,15 м разность фаз. Она приблизительно равна 180°.

Различным направлениям на источник звука в горизонтальной плоскости будут соответствовать разности фаз между 0° и 180° (для приведенных выше данных). Считают, что человек с нормальным слухом может фиксировать направления на источник звука с точностью до 3°, этому соответствует разность фаз 6°. Поэтому можно полагать, что чело-

Рис. 8.10

век способен различать изменение разности фаз звуковых волн, попадающих в его уши, с точностью до 6°.

Кроме фазового различия бинауральному эффекту способствует неодинаковость интенсивностей звука у разных ушей, а также акустическая тень от головы для одного уха. На рис. 8.10 схематично показано, что звук от источника попадает в левое ухо в результате дифракции.

Звуковая волна проходит через слуховой проход и частично отражается от барабанной перепонки 3. В результате интерференции падающей и отраженной волн может возникнуть акустический резонанс. Это возникает тогда, когда длина волны в четыре раза больше длины наружного слухового прохода. Длина слухового прохода у человека приблизительно равна 2,3 см; следовательно, акустический резонанс возникает при частоте:

Наиболее существенной частью среднего уха являются барабанная перепонка 3 и слуховые косточки: молоточек 4, наковальня 5 и стремечко 6 с соответствующими мышцами, сухожилиями и связками. Косточки осуществляют передачу механических колебаний от воздушной среды наружного уха к жидкой среде внутреннего. Жидкая среда внутреннего уха имеет волновое сопротивление, приблизительно равное волновому сопротивлению воды. Как было показано (см. 8.4), при прямом переходе звуковой волны из воздуха в воду передается лишь 0,122% падающей интенсивности. Это слишком мало. Поэтому основное назначение среднего уха - способствовать передаче внутреннему уху большей интенсивности звука. Используя технический язык, можно сказать, что среднее ухо согласует волновые сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха.

Система косточек на одном конце молоточком связана с барабанной перепонкой (площадь S 1 = 64 мм 2), на другом - стремечком - с овальным окном 7 внутреннего уха (площадь S 2 = 3 мм 2).

На барабанную перепонку действует звуковое давление р 1 , что обусловливает силу

на 8, называется вестибулярной лестницей. Другой канал идет от круглого окна 9, он называется барабанной лестницей 10. Вестибулярная и барабанная лестницы соединены в области купола улитки посредством маленького отверстия - геликотремы 11. Таким образом, оба эти канала в некотором роде представляют единую систему, наполненную пери-лимфой. Колебания стремечка 6 передаются мембране овального окна 7, от нее перилимфе и «выпячивают» мембрану круглого окна 9. Пространство между вестибулярной и барабанной лестницами называется улитковым каналом 12, он заполнен эндолимфой. Между улитковым каналом и барабанной лестницей вдоль улитки проходит основная (базилярная) мембрана 13. На ней находится кортиев орган, содержащий рецептор-ные (волосковые) клетки, от улитки идет слуховой нерв (на рис. 8.9 эти подробности не показаны).

Кортиев орган (спиральный орган) преобразует механические колебания в электрический сигнал.

Длина основной мембраны около 32 мм, она расширяется и утончается в направлении от овального окна на верхушке улитки (от ширины 0,1 до 0,5 мм). Основная мембрана - весьма интересная для физики структура, она обладает частотно-избирательными свойствами. На это обратил внимание еще Гельмгольц, который представлял основную мембрану аналогично ряду настроенных струн пианино. Лауреат Нобелевской премии Бекеши установил ошибочность этой резонаторной теории. В работах Бекеши было показано, что основная мембрана является неоднородной линией передачи механического возбуждения. При воздействии акустическим стимулом по основной мембране распространяется волна. В зависимости от частоты эта волна по-разному затухает. Чем меньше частота, тем дальше от овального окна распространится волна по основной мембране, прежде чем она начнет затухать. Так, например, волна с частотой 300 Гц до начала затухания распространится приблизительно до 25 мм от овального окна, а волна с частотой 100 Гц достигает своего максимума вблизи 30 мм.

На основании этих наблюдений были разработаны теории, согласно которым восприятие высоты тона определяется положением максимума колебания основной мембраны. Таким образом, во внутреннем ухе прослеживается определенная функциональная цепь: колебание мембраны овального окна - колебание перилимфы - сложные колебания основной мембраны - раздражение волосковых клеток (рецепторы кортиева органа) - генерация электрического сигнала.

Некоторые формы глухоты связаны с поражением рецепторного аппарата улитки. В этом случае улитка не генерирует электрические сиг-

налы при воздействии механических колебаний. Таким глухим можно помочь, для этого необходимо имплантировать электроды в улитку и на них подавать электрические сигналы, соответствующие тем, которые возникают при воздействии механического стимула.

Такое протезирование основной функции улитки (кохлеарное протезирование) разрабатывается в ряде стран. В России кохлеарное протезирование разработано и осуществлено в Российском медицинском университете. Кохлеарный протез показан на рис. 8.12, здесь 1 - основной корпус, 2 - заушина с микрофоном, 3 - вилка электрического разъема для подсоединения к имплантируемым электродам.

8.6. УЛЬТРАЗВУК И БГО ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ

Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более 20 кГц.

Верхним пределом ультразвуковых частот условно можно считать 10 9 -10 10 Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна.

Для генерирования УЗ используются устройства, называемые УЗ-излучателями. Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта (см. 14.7). Обратный пьезоэффект заключа-

ется в механической деформации тел под действием электрического поля. Основной частью такого излучателя (рис. 8.13, а) является пластина или стержень 1 из вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (кварц, сегнетова соль, керамический материал на основе титаната бария и др.). На поверхность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды 2. Если к электродам приложить переменное электрическое напряжение от генератора 3, то пластина благодаря обратному пье-зоэффекту начнет вибрировать, излучая механическую волну соответствующей частоты.

Наибольший эффект излучения механической волны возникает при выполнении условия резонанса (см. 7.6). Так, для пластин толщиной 1 мм резонанс возникает для кварца на частоте 2,87 МГц, сегнетовой соли - 1,5 МГц и титаната бария - 2,75 МГц.

Приемник УЗ можно создать на основе пьезоэлектрического эффекта (прямой пьезоэффект). В этом случае под действием механической волны (УЗ-волны) возникает деформация кристалла (рис. 8.13, б), которая при пьезоэффекте приводит к генерации переменного электрического поля; соответствующее электрическое напряжение может быть измерено.

Применение УЗ в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. Рассмотрим этот вопрос.

По физической природе УЗ, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Так, например, в воде длины волн равны 1,4 м (1 кГц, звук), 1,4 мм (1 МГц, УЗ) и 1,4 мкм (1 ГГц, УЗ). Дифракция волн (см. 24.5) существенно зависит от соотношения длины волн и размеров тел, на которых волна дифрагирует. «Непрозрачное» тело размером 1 м не будет препятствием для звуковой длины с длиной 1,4 м, но станет преградой для УЗ-волны с длиной 1,4 мм, возникнет УЗ-тень. Это позволяет в некоторых случаях не учитывать дифракцию УЗ-волн, рассматривая при преломлении и отражении эти волны как лучи (аналогично преломлению и отражению световых лучей).

Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений (см. 8.4). Так, УЗ хорошо отражается на границах мышца-надкостница-кость, на поверхности полых органов и т.д.

Поэтому можно определить расположение и размер неоднородных включений, полостей, внутренних органов и т.п. (УЗ-локация). При УЗ-локации используют как непрерывное, так и импульсное излучения. В первом случае исследуется стоячая волна, возникающая при интерференции падающей и отраженной волн от границы раздела. Во втором случае наблюдают отраженный импульс и измеряют время распространения ультразвука до исследуемого объекта и обратно. Зная скорость распространения ультразвука, определяют глубину залегания объекта.

Волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха. Поэтому если УЗ-излучатель приложить к телу человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться из-за тонкого слоя воздуха между излучателем и биологическим объектом (см. 8.4). Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ-излу-чателя покрывают слоем масла.

Скорость распространения ультразвуковых волн и их поглощение существенно зависят от состояния среды; на этом основано использование ультразвука для изучения молекулярных свойств вещества. Исследования такого рода являются предметом молекулярной акустики.

Как видно из (7.53), интенсивность волны пропорциональна квадрату круговой частоты, поэтому можно получить УЗ значительной интенсивности даже при сравнительно небольшой амплитуде колебаний. Ускорение частиц, колеблющихся в УЗ-волне, также может быть большим [см. (7.12)], что говорит о наличии существенных сил, действующих на частицы в биологических тканях при облучении УЗ.

Сжатия и разрежения, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости - кавитаций.

Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются, при этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходят разогревание вещества, а также ионизация и диссоциация молекул.

Физические процессы, обусловленные воздействием УЗ, вызывают в биологических объектах следующие основные эффекты:

Микровибрации на клеточном и субклеточном уровнях;

Разрушение биомакромолекул;

Перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран (см. гл. 13);

Тепловое действие;

Медико-биологические приложения ультразвука в основном можно разделить на два направления: методы диагностики и исследования и методы воздействия.

К первому направлению относятся локационные методы и использование импульсного излучения. Это эхоэнцефалография - определение опухолей и отека головного мозга (на рис. 8.14 показан эхоэнцефалограф «Эхо-12»); ультразвуковая кардиография - измерение размеров сердца в динамике; в офтальмологии - ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред. С помощью ультразвукового эффекта Доплера изучают характер движения сердечных клапанов и измеряют скорость кровотока. С диагностической целью по скорости ультразвука находят плотность сросшейся или поврежденной кости.

Ко второму направлению относится ультразвуковая физиотерапия. На рис. 8.15 показан используемый для этих целей аппарат УТП-ЗМ. На пациента воздействуют ультразвуком с помощью специальной излу-чательной головки аппарата. Обычно для терапевтических целей применяют ультразвук частотой 800 кГц, средняя его интенсивность около 1 Вт/см 2 и меньше.

Первичным механизмом ультразвуковой терапии являются механическое и тепловое действия на ткань.

При операциях ультразвук применяют как «ультразвуковой скальпель», способный рассекать и мягкие, и костные ткани.

Способность ультразвука дробить тела, помещенные в жидкость, и создавать эмульсии используется в фармацевтической промышленности при изготовлении лекарств. При лечении таких заболеваний, как туберкулез, бронхиальная астма, катар верхних дыхательных путей, применяют аэрозоли различных лекарственных веществ, полученные с помощью ультразвука.

В настоящее время разработан новый метод «сваривания» поврежденных или трансплантируемых костных тканей с помощью ультразвука (ультразвуковой остеосинтез).

Губительное воздействие ультразвука на микроорганизмы используется для стерилизации.

Интересно применение ультразвука для слепых. Благодаря ультразвуковой локации с помощью портативного прибора «Ориентир» можно обнаружить предметы и определять их характер на расстоянии до 10 м.

Перечисленные примеры не исчерпывают всех медико-биологических применений ультразвука, перспектива расширения этих приложений поистине огромна. Так, можно ожидать, например, появления принципиально новых методов диагностики с внедрением в медицину ультразвуковой голографии (см. гл. 24).

8.7. ИНФРАЗВУК

Инфразвуком называют механические (упругие) волны с частотами, меньшими тех, которые воспринимает ухо челвоека (20 Гц).

Источниками инфразвука могут быть как естественные объекты (море, землетрясение, грозовые разряды и др.), так и искусственные (взрывы, автомашины, станки и др.).

Инфразвук часто сопровождается слышимым шумом, например в автомашине, поэтому возникают трудности при измерении и исследовании собственно инфразвуковых колебаний.

Для инфразвука характерно слабое поглощение разными средами, поэтому он распространяется на значительное расстояние. Это позволяет по распространению инфразвука в земной коре обнаруживать взрыв на большом удалении его от источника, по измеренным инфра-звуковым волнам прогнозировать цунами и т.д. Так как длина волны инфразвука больше, чем у слышимых звуков, то инфразвуковые волны лучше дифрагируют и проникают в помещения, обходя преграды.

Инфразвук оказывает неблагоприятное влияние на функциональное состояние ряда систем организма: усталость, головная боль, сонливость, раздражение и др. Предполагается, что первичный механизм действия инфразвука на организм имеет резонансную природу. Резонанс наступает при близких значениях частоты вынуждающей силы и частоты собственных колебаний (см. 7.6). Частота собственных колебаний тела человека в положении лежа (3-4 Гц), стоя (5-12 Гц), частота собственных колебаний грудной клетки (5-8 Гц), брюшной полости (3-4 Гц) и т.д. соответствуют частоте инфразвуков.

Снижение уровня интенсивности инфразвуков в жилых, производственных и транспортных помещениях - одна из задач гигиены.

8.8. ВИБРАЦИИ

В технике механические колебания различных конструкций и машин получили название вибраций.

Они оказывают воздействие и на человека, который соприкасается с вибрирующими объектами. Это воздействие может быть как вредным и приводящим в определенных условиях к вибрационной болезни, так и полезным, лечебным (вибротерапия и вибромассаж).

Основные физические характеристики вибраций совпадают с характеристиками механических колебаний тел, это:

Частота колебаний или гармонический спектр ангармонического колебания;

Амплитуда, амплитуда скорости и амплитуда ускорения;

Энергия и средняя мощность колебаний.

Кроме того, для понимания действия вибраций на биологический объект важно представлять себе распространение и затухание колебаний в теле. При исследовании этого вопроса используют модели, состоящие из инерционных масс, упругих и вязких элементов (см. 10.3).

Вибрации являются источником слышимых звуков, ультразвуков и инфразвуков.

Звук как явление физическое представляет собой колебательные движения материальных тел — твердых, газообразных или жидких. Возникновение слуховых ощущений человека связано, как правило, именно с колебаниями воздуха. Вот поэтому в безвоздушной среде передача звука становится невозможной.

Колебания воздуха, воспринимаемые органом слуха человека как звук, в естественных условиях имеют очень широкий диапазон величин давления, в связи с этим принято пользоваться логарифмической шкалой, выражая уровень интенсивности в белах (Б) или децибелах (дБ). Децибел — единица уровня интенсивности, равная десятикратному десятичному логарифму отношения интенсивности одного звука к некоторой другой интенсивности звука, условно принятой за уровень отсчета и близкой к пороговой.

Встречающиеся в природе звуки характеризуются примерно следующим соотношением:

Колебания, имеющие интенсивности, выходящие за пределы данного диапазона, как звук уже не воспринимаются, то есть они или совсем не слышны и не вызывают практически никаких ощущений, или воспринимаются тактильными и болевыми рецепторами и дают ощущения давления или боли, вытесняющие слуховые ощущения.

Звук как колебательный процесс характеризуется также частотой, которая по существу представляет собой описание изменений звукового давления во времени. Если эти изменения имеют правильный синусоидальный характер, то говорят о чистом тоне. В реальных условиях к такому чистому основному тону, как правило, примешивается еще некоторое количество добавочных тонов, которые придают звуку его часто неповторимую индивидуальность. Звук считается чистым, если добавочные тоны по своей акустической энергии не превышают 10 процентов. В жизни нам нередко приходится сталкиваться с естественными чистыми звуками. Это звуки, издаваемые птицами и зверями, это и звуки, получающиеся при произнесении нами гласных.

Звуки, в которых нельзя выделить основного тона и в которых соответственно колебания звукового давления описываются более сложной, чем синусоидальная, зависимостью, обозначают как шумы. И если акустическая энергия распределена равномерно по всему спектру, то говорят о «белом» шуме.

Орган слуха человека воспринимает колебания воздуха (при достаточном уровне интенсивности) в диапазоне от 16 герц до 20 килогерц, и соответственно эти частоты в физике и технике обозначают как звуковые, а менее 16 герц — как инфразвук и более 20 килогерц — как ультразвук. Человек инфра- и ультразвуковые колебания не слышит, сколь бы большой интенсивности они ни были. Но это совсем не означает, что такие виды энергии вообще на человека не действуют. Они представляют собой типичный пример раздражителей, которые мы с вами обозначили ранее как «внерецепторные», то есть которые не вызывают специфических ощущений. Человек же начинает ощущать их опосредованно в результате взаимодействия, и нередко неблагоприятного, с тканями нашего тела.

Звук как колебательный процесс характеризуется также длиной волны, которая количественно при неизменной частоте может меняться в зависимости от скорости распространения звука. Эта скорость в воздухе при температуре 0 градусов по шкале Цельсия и нормальном атмосферном давлении составляет 332 метра в секунду, возрастая при повышении давления и температуры воздуха.

В более плотной среде скорость распространения звука значительно выше, составляя при этом: в граните — 6000 метров в секунду, в стекле — 5500 метров в секунду, в алюминии — 5140 метров в секунду, в железе и стали — 5000 метров в секунду, в твердых породах дерева (в продольном направлении) — 4000 метров в секунду, в меди — 3560 метров в секунду и в воде (при температуре 19 градусов по шкале Цельсия) — 1461 метр в секунду. Таким образом, звуковые колебания одной и той же частоты в разных средах имеют различную длину волны. Это оказывается небезразличным для нашего слуха и обусловливает некоторые особенности слухового восприятия при пребывании человека под водой. А теперь рассмотрим механизм восприятия звука.

Исакович М. А. Общая акустика. Учеб. пособие. 1973 год. 502 стр. djvu. 4.3 Мб.
Книга представляет собой введение в теорию упругих волн. В ней излагаются общие закономерности поведения упругих волн в различных акустических ситуациях, устанавливаются точки зрения, позволяющие единообразно рассматривать разнородные акустические явления, выясняются внутренние связи между явлениями. Главное внимание уделено подробному выяснению физической сущности разбираемых вопросов, без привлечения сложного математического аппарата. В книгу включен ряд вопросов, представленных до сих пор только в специальной научной литературе. Основное содержание книги относится к изучению плоских и сферических упругих волн разных типов, как основных видов волн, встречающихся в большинстве теоретических и прикладных задач. Большое число детально рассмотренных задач позволяет также использовать книгу как справочное пособие. В основу книги положен курс общей акустики, читаемый автором в Московском физико-техническом институте.

Скачать

Красильников В.А. Введение в акустику 1992 год. 152 стр. PDF. 3.3 Мб.
В учебном пособии даются основные сведения по акустике. Кратко излагается история развития акустики и ее место среди других наук. Приводятся данные о звуковом поле и величинах его характеризующих. Рассмотрены задачи об отражении и преломлении волн на плоской границе раздела, об акустических волноводах, геометрической акустике, акустике движущейся среды, представлений об излучении звука, интенсиметрии, рассеянии звука и его поглощении. Приводятся основные сведения по акустике твердого тела, нелинейной акустике, физиологической акустике и электроакустике. Для студентов младших курсов физических факультетов университетов специализирующихся по акустике.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Скачать

Лепендин Л.Ф. Акустика. 1978 год. 448 стр. djvu.10.6 Мб.
В учебном пособии изложены основные вопросы курса акустики, включенные в программу для студентов высших технических учебных заведения.
Пособие состоит из двух частей. В первой исследована теория колебаний механических систем с сосредоточенными и распределенными параметрами; колебания с одной и двумя степенями свободы; методы электромеханических аналогий. Рассмотрены также упругие волны в газах и жидкостях, законы отражения и преломления плоских волн через границу раздела двух сред, а также законы прохождения и отражения звука от границ и плоских пластин. Вторая часть книги посвящена теории рассеяния. Изложены вопросы волноводного распространения звука, основы акустики помещений.
Книга снабжена приложениями, имеющими вспомогательное значение.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Скачать

Ф. М О Р 3. КОЛЕБАНИЯ И ЗВУК. 497 стр. djvu, 20.6 Мб.
Книга «Колебания и звук» написана физиком-теоретиком Ф. Морзом, известным своими работами в области квантовой механики. Многие вопросы теории колебаний и звука автору удалось изложить совершенно по-новому, используя методы современной математической техники, что придаёт книге значительный интерес. В книге, кроме общего материала, входящего обычно в учебники, изложены результаты оригинальных работ автора по архитектурной акустике, частично опубликованных на русском языке, по распространению звука в каналах с поглощающими стенками, по излучению и рассеянию звука и др.
Книга рассчитана на студентов старших куртов, аспирантов и научных работников, специализирующихся в области акустики и теории колебаний.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Скачать

Лорд Рэлей. Теория звука. В 2-х томах. 1955 год. djvu.
Том 1. 504 стр. 7.3 Мб. Том 2. 475 стр. 6.5 Мб. Классика.
В акустике Рэлей исследовал колебания струн, стержней, пластинок и др. В 1873 он сформулировал ряд фундаментальных теорем линейной теории колебаний, позволяющих делать качественные заключения о собственных частотах колебательных систем, и разработал количественный метод возмущений для нахождения собственных частот колебательной системы, мало отличающейся от простой системы с известными собственными частотами.
Рэлей впервые указал на специфичность нелинейных систем, способных совершать незатухающие колебания без периодического воздействия извне, и на особый характер этих колебаний (названных впоследствии автоколебаниями).
Он объяснил различие групповой и фазовой скоростей и получил формулу для групповой скорости (формула Рэлея).
Он рассмотрел также задачу сложения многих колебаний со случайными фазами и получил функцию распределения для результирующей амплитуды - так называемое распределение Рэлея. Метод, разработанный при этом Рэлеем, надолго определил дальнейшее развитие теории случайных процессов.
В теории упругих волн Рэлей рассмотрел вопросы дифракции, рассеяния и поглощения волн, давление звука, исследовал волны конечной амплитуды и особый вид поверхностных волн (волны Рэлея). Работы Рэлея по теории колебаний систематизированы им в фундаментальном труде "Теория звука".